提高高温超导电机气隙磁密的方法研究

　　1 概述

　　同步电机采用超导励磁绕组，可以大大提高电机磁场强度，使其具有效率高、重量轻、体积小等显著特点，特别适用于对电机体积、重量有严格要求的领域(如船舶业)。因此，近年来随着高温超导(High-Temperature Superconductor)线材的工程化，世界各国都加强了超导电机的研究。特别是2007年3月美国超导公司的世界首台36.5MW(49000 hp)超导船用推进电动机在费城海军商务中心的诺斯格鲁曼公司的实验室成功完成验收试验，标志着 HTS 电机向工程实用化迈出了坚实的一步，该电机外形尺寸和重量仅为同等容量常规电机的一半，但效率却更高。

　　但是，由于受超导线材性能影响等因素，电机的一项关键参数——气隙磁密偏低，制约了HTS 电机功率密度的提高，需要重点研究解决。本文以某功率超导电机为例，研究提高电机气隙磁密的方法。

　　2 HTS 电机的结构及影响气隙磁密的因素

　　超导电机的研究对象主要是超导同步电机，其结构主要是由定子、转子、冷却设备等构成。

　　HTS 电机的定子除使用少量的铁磁材料用于屏蔽，避免定子磁场向外发散外，其它地方都不需用铁磁材料。电枢绕组位于转子和铁磁屏蔽之间，就象工作在普通电机的气隙里，因此被称为气隙电枢。这种结构形式的电机气隙较常规电枢大得多，所以气隙尺寸与两极之间的极弧距离，均对电机的磁力线分布有较大影响。同时，定子磁屏蔽层的厚度对电机气隙磁密也存在一定的影响。

　　HTS 电机的转子主要由超导磁体、冷却用液氖容器和支撑部件等构成。电机的励磁磁场由高温超导磁体产生，所以高温超导磁体的材料性能、结构形式、环境温度等因素均对电机气隙磁密有直接的影响。本文主要从超导磁体入手，分析其影响气隙磁密的情况，找到提高电机气隙磁密的方法。

　　3 超导材料性能对电机气隙磁密的影响

　　高温超导材料强电应用要求在低温条件下具有高临界电流密度，这是设计高磁场超导磁体的重要依据。目前，能够实用化的高温超导带材主要有 BSCCO 带材(称为第一代高温超导带材，简称 1G)和在柔性金属基带上涂以 YBCO 厚膜的涂层导体(称为第二代高温超导带材，简称2G)。1G 中最常用的是 Bi2223 超导体，它的临界电流在 77K 和自磁场下大于 110 A，美超公司的超导带材局部临界电流密度达到 180 kA/cm2。2G 中美国橡树岭实验室等已制得临界电流 Ic 超过 100 A/cm2(77 K，自磁场)[1]。

　　一定温度下，高温超导带材的临界电流是带材所处位置磁场大小和磁场方向的函数，而且具有显著的各向异性，垂直于高温超导带的磁场强度对超导带临界电流的影响远大于平行于高温超导带的磁场强度。图 1 为高温超导带平行磁场和垂直磁场强度与温度、电流的关系曲线。